CMOS相机成像实验1

1、CMOS相机成像实验一、 实验的性质综合二、 实验的目的1. 掌握CMOS图像传感器的工作原理2. 熟悉CMOS相机的整体工作过程3. 了解CMOS相机的中单片机如何控制三、 实验的时间分配8个学时四、 实验地点电子信息工程专业基础实验室五、 实验内容与要求一） 实验要求1.理解CMOS图像传感器的工作原理2.熟悉CMOS相机的整体工作过程3.了解CMOS相机的中单片机如何控制二） 实验内容1CMOS图像传感器的工作原理CMOS是互补金属氧化物半导体器件，它的光电转换功能与CCD相似，区别主要在于光电转换后信息传送的方式不同。CMOS具有信息读取方式简单、输出信息速率快、耗电省、体积小、重量轻

2、、集成度高、价格低等特点，是未来数码相机理想的成像芯片。但要在成像质量，仍有很长的路要走。目前数码相机多采用CCD面阵光电转换器件，由于其制造成本很高，而且由于数码相机的制造商大多采用专用的CCD，所以其价格一直居高不下。近几年，CMOS面阵光电转换器件得到发展，这对开发实用、价廉、小体积的数码相机非常有用。CMOS器件与CCD相比，CMOS很容易与A/D电路、数字信号电路等电路集成在一起，CMOS芯片生产成本低，成品率高，并且明显降低了功耗。此外，CCD只能单一地锁存落到成千上万的采样点上的光线的状态，而CMOS则可以完成其他许多功能，如模/数转换、负载信号处理、白平衡处理及像机控制等，还有

3、可能在不会大幅度提高成本的前提下增加CMOS的密度和位深度。鉴于上述原因，很多业界分析家认为，将来终究有一天，所有的低档数码相机都将是基于CMOS器件的。目前CMOS成像器件在解像度和色彩还原方面还不尽如人意，图像有噪声，准确捕获动态图像的能力还不强。现在全面的改善电路设计、器件结构和工艺流程，我们相信CMOS图像芯片的质量指标是可以进一步改善并达到CCD图像质量水平的。CMOS图像传感器的原理如图11所示，通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成，这几部分通常都被集成在同一块硅片上。图12中所示的像敏单元数组按X方向和Y方向排列

4、成方阵，方阵中的每一个像敏单元都有它在X， Y各方向上的地址，并可分别由两个方向的地址译码器进行选择：每一列像敏单元都对应于一个列放大器，列放大器的输出信号分别接到由X方向地址译码控制器进行选择的模拟多路开关，并输出至输出放大器；输出放大器的信号送给A/D转换器进行模数转换，经预处理电路处理后通过接口电路输出。图11 CMOS图像传感器组成原理框图图12 CMOS图像传感器信号输出过程示意图图像信号的输出过程可由图像传感器像元数组原理图更清楚地说明，如图12所示。在Y方向地址译码器(移位寄存器)的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模拟开关(图中的晶体管)，信号将通过行开关传送到列线，再通过X方

5、向地址译码器(移位寄存器)的控制，传送到放大器。由于设置了行与列开关，而它们的选通是由两个方向的地址译码器上所加的控制信号决定的。因此，通过采用X和Y两个方向的移位寄存器就可以实现逐行扫描或隔行扫描的信号输出方式。当然也可以通过只输出某一行或某一列的信号，使其按着与线阵CCD相类似的方式工作。实际上，CMOS图像传感器更确切地说应当是一个图像系统。一个典型的CMOS图像传感器通常包含有一个图像传感器核心（是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出，这与CCD图像传感器很类似）、所有的时序逻辑、单一时钟、芯片内的可编程功能比如增益调节、积分时间（integration time）、开窗口(wind

6、owing)和模数转换器。事实上，当一位设计者购买了CMOS图像传感器后，它得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。与传统的CCD图像传感器相比，把整个图像系统集成在一块芯片上，不仅降低了功耗，而且具有重量较轻，空间占用减少以及总体价格更低的优点。2本CMOS相机的整体工作过程本设计CMOS照相机的整体结构框图见图13，本文将其分为三个模块来说明：CMOS传感器外围电路图14、存储电路图15、单片机控制及接口电路图16和17。图13 CMOS照相机的整体结构框图CMOS传感器外围电路部分本相机采用OV系列的CMOS图像传感器芯片。美国OmniVisio

7、n公司的产品，该公司是世界上最大的单片CMOS图像传感器的供应商。OV7620是一种数字输出的图像传感器芯片，不需外接控制器就可以直接输出数字视频信号，芯片同时输出标准时序信号VSYNC（垂直同步信号）、HREF（水平同步信号）和PCLK（像素时钟），用作外部电路读取图像数据的参考信号。CMOS传感器外围电路图14。图14 CMOS图像传感器外围电路存储部分电路图一般对图像一帧存储有如下要求：（1）高速存取，（2）存储量大，（3）非同步输入输出的存取，存储一帧或一场的图像的存储容量可以用下式计算：存储容量1帧（或一场）的扫描行数×1行的取样数×量化位数。在系统中，一帧采集的

8、图像为640×480点阵，所以需要的存储容量为300KB左右。实验中使用的存储器是HITACHI的HM628512，它可以满足上述存储容量的要求。628512是512K的SRAM，它具有高密度、高性能、低功耗的特点。图15 存储部分电路图接口部分图像传感器获得的图像要传到PC机上显示，可供选择的接口方式有串口、并口、USB接口等。本相机采用了RS232接口和USB接口。由于RS232接口单片机就能直接实现，只需要简单的电平转化（MAX232芯片）就能够实现和电脑（上位机）通信，如图17串口部分接口电路图。但由于速度的限制的本相机还增加了USB接口。USB（通用串行总线）是连接计算机与

9、外围设备的接口。USB接口的最高传输速率可达12Mb/s，提供低速方式，速率为1.5Mb/s。扣除用于总线状态控制和错误检测等数据传输，最大理论速度也能达到1.2Mb/s和9.6Mb/s；USB接口连接灵活，一个USB接口理论上可以连接127个USB设备，连接的方式也十分灵活：既可以使用串行连接，也可以使用集线器Hub，把多个设备连接在一起，再同PC机的USB接口相接；USB具有独立供电的功能，提供了内置电源。PDIUSBD12接口芯片是用来实现与微控制器通过高速通用并行接口进行通信8。它是一个性能优化的USB器件。该器件采用模块化的方法实现一个USB接口。允许使用现存的体系结构并使固件投资减

10、到最小。这种灵活性减少了开发时间、风险和成本。是开发低成本且高效的USB外围设备解决方案的一种最快途径。PDIUSBD12完全符合USB1.1规范。如图16单片机与D12的连接电路图。图16 单片机与D12的连接电路图图17 串口部分接口电路图单片机部分整个图像采集系统需要一个控制机构来协调各个部分的工作。由于8515的一个时钟周期执行一条指令，所以在8位单片机中它是真正的RISC单片机，并且它可以采用C语言编程，使得程序编写简单，所以本相机选用了AT90S8515单片机。软件是使用AVR C语言编写的，采用少量的结构解决了复杂的问题同时也增加了程序的可读性。主程序流程图如图18。图18 单片

11、机主流程图CMOS相机各项指标如下表1-1所示。表1-1 相机各项指标图像传感器CMOS图像传感器OV7620分辨率640 × 480, 1/3英寸镜头,取景方式旁轴式光学取景存储器512K SRAM摄影范围40厘米 无穷远供电电压5V USB重量 大小126g 75 × 60 × 52.5mm系统配置Windows XP存储量1张软件界面如图19所示。图19 照相机上位机软件界面三） 实验步骤1. 安装此CMOS相机USB驱动。如果此电脑是第一次使用本CMOS相机，插上USB数据线后，系统会弹出找到新的硬件向导，如图110，选择“是，这一次和每次连接设备时”,然

12、后下一步；选择“从列表或指定位置安装（高级）”，如图111，再下一步；选择本相机需要的驱动程序，在D12_sys/D12DMA_XP里面,点击“确定”，如图112和113，再下一步；系统会搜索需要的驱动，如图114；找到后会提示这个驱动没有通过windows徽标测试，如图115，点击“仍然继续”；系统会继续安装，最后点击“完成”就可完成此安装，如图116。成功安装完成后相机板上的USB灯也会被点亮。图110 找到新硬件向导图111 从列表或指定位置安装图112 添加驱动文件路径图113 添加驱动文件路径完成后图114 搜索需要的驱动程序图115 仍然继续安装图116 安装完成 2. 图像的显示。首先选择图像的传输方